(57)【要約】【課題】  検出感度の比較的高い微小流体処理システムを提供すること。【解決手段】  微小流体処理システムにおいて、少なくともバルブ、センサー、ポンプによりなり、ポンプとセンサーを含みバルブにより閉鎖されたループを持ち、少なくともバルブ、センサー、ポンプは同一の基板上、または基板を積層した同一のユニット内に形成されたことを特徴とする構成とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともバルブ、センサー、ポンプによりなり、ポンプとセンサーを含みバルブにより閉鎖されたループを持ち、少なくともバルブ、センサー、ポンプは同一の基板上、または基板を積層した同一のユニット内に形成されたことを特徴とする微小流体処理システム。
【請求項２】
少なくともバルブ、センサー、ポンプによりなり、ポンプとセンサーを含みバルブにより閉鎖されたループを持ち、センサー部には検出物質を選択的に吸着する物質が付加されていることを特徴とする微小流体処理システム。
【請求項３】
少なくともバルブ、センサー、ポンプは同一の作製プロセスにより作製されたか、または同一の構成であることを特徴とする請求項１記載の微細流体処理システム。
【請求項４】
ヒーター、バルブ、ポンプを含み、バルブにより閉鎖されたヒーター、バルブ、ポンプを含むループを持ち、少なくともバルブ、ヒーター、ポンプは同一の基板上、または基板を積層した同一のユニット内に形成され、前記ループ内には温度の異なるヒーター部が複数あることを特徴とした微細流体処理システム。
【請求項５】
前記閉じたループ内に遺伝子検出センサが設置されている請求項４の微細流体処理システム。
【請求項６】
前記ループにはバルブを介して洗浄用の液体の供給部が接続されてなる請求項１、２、３、４、５の微細流体処理システム。
【請求項７】
前記ループ内には、検出物吸着量のモニター用センサーが設置されている請求項１、２、３、４、５の微細流体処理システム。
【請求項８】
２つの流路が合流し一つの流路となり、再び分岐して二つの流路となる微細溶媒抽出流体回路において、入り口側と出口側の流路上にバルブがあり、入り口側の流路のうち一本と出口側の流路一本がそれぞれ別の流路により接続され二つの流路のループをなし、前記ループ内にはそれぞれバルブ、ポンプがあることを特徴とする微細流体処理システム。
【請求項９】
バルブ、センサー、ポンプ、ヒーターのうちの少なくとも一つは、少なくともＳｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＹＳＺ、下電極、圧電材料、上電極より構成され、この順番で積層されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８の流体処理システム。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９の流体処理システムを用いた流体処理方法において、ループを閉じるためのバルブが開いた状態で、検体を含む液体または気体を導入する工程、ループの一部に検体を含む液体または気体が導入された状態でループを閉じるためのバルブを閉じる工程、およびループ内のポンプにより検体を含む液体または気体をループ内で循環する工程を含むことを特徴とする流体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
極微量のウィルス、蛋白やＤＮＡなどを検出するための、ラボオンアチップ、マイクロタス、ヘルスケアデバイス、あるいは微小な環境汚染物質などを検出するための環境物質検出チップなどにかかわる。
【背景技術】
【０００２】
血液の採取、ろ過、分離、分析を一つのチップで行うことができるヘルスケアチップが提案されている（例えば、特許文献１参照）。チップ内に同一機能、同一機構からなる部品を複数配置してなる単一機能チップを形成し、異なる単一機能を持つチップ同士を複数層に組み合わせることにより、目的とする化学反応回路を構成する化学集積回路が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２５８８６８号公報
【特許文献２】特開２００１−１５８０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術では検出したい物質はセンサー上を通過してゆくにすぎず、吸着されなければ再びもどることはない。
【０００４】
微量な検体を検出する場合、検出素子への吸着確率が低いとどんなに高感度なセンサーだろうと結果的に検出感度が低くなる。
【０００５】
そこで、本発明の例示的な目的は、検出感度の比較的高い微小流体処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての微小流体処理システムは、少なくともバルブ、センサー、ポンプによりなり、ポンプとセンサーを含みバルブにより閉鎖されたループを持ち、少なくともバルブ、センサー、ポンプは同一の基板上、または基板を積層した同一のユニット内に形成されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付の図面を参照して説明される好ましい実施例等によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
従来よりも、性能の良い微小流体処理システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１の微小流体処理システムは、ＰＣＲ機構を備えた遺伝子検出チップであり、これはＰＣＲ部と検出部でそれぞれ目的を達するまで試料を循環できるため、少量の試料でも検出が可能である。
【００１１】
バルブ、ヒータ、検出素子、ポンプ、さらには半導体プロセスを用いる為発振回路の一部をも一つのチップに同じプロセスで組み込むことができる。そのため装置全体のコストが低減できる。また、小さな流路のみで構成されるためサンプルの量は劇的に少なくてすむ。
【００１２】
通常ＰＺＴは振動数の温度変化が大きく、また水の粘度は温得が大きい為高精度の検出が困難である。この対策として検出部はとなりの素子には受容体を設けずリファレンスとすることで、温得がキャンセルでき、また付着量の検出感度が上がる。
【００１３】
以下に、各素子の構成について説明する。
【００１４】
まず、センサー部について説明する。図１に本実施例に用いるセンサー部の断面図と平面図を示す。
【００１５】
１１はシリコン単結晶、１０はＳｉＯ２、９はシリコン単結晶である。たとえばこの場合ＳＯＩウェハーを用いてもよい。空間１４を作製するにはたとえばＫＯＨによる異方性エッチングを行う。Ｓｉ振動板の上にはＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）７、白金下電極６、圧電材料（たとえばＰＺＴ）５、白金上電極、各層をスパッタリング等により成膜する。次に白金上電極をフォトリソグラフィーとスパッタエッチングによりパターニングし櫛歯電極３、４を形成する。また流路１５を形成するためにＳｉＯ２基板をフォトリソとドライエッチングにより流路や突起部１２０を形成し、前記ＳＯＩウェハー上に形成したセンサー部と接着する。
【００１６】
ガラス突起部の効用として流れの滞留防止効果や、受容体１３付近の体積を小さくすることによる受容体１３への検体付着確率増大の効果もある。
【００１７】
交流電源１から櫛歯電極３に電圧が印加されると圧電材料５に振動が発生する。このとき振動板９とともに振動が伝播し櫛歯電極４部分が振動する。このとき圧電体４の電極間に電圧が発生し検出部２で信号が検知される。このとき受容体１３に検体が付着すると振動板の実質的な質量が変化するから検出部２で検知される信号量が変化する。このような原理により微量な物質の検知が可能である。
【００１８】
ＤＮＡの検出なら相補的ＤＮＡを１３の受容体としてあらかじめ付着しておけばよい。蛋白質の検出なら目的とした蛋白質に作用する特定の抗体を１３の受容体としてあらかじめ付着しておけばよい。
【００１９】
次に、バルブについて説明する。図２に本実施例のバルブの断面図と平面図を示す。
【００２０】
２３はシリコン単結晶、２２はＳｉＯ２、２１はシリコン単結晶である。たとえばこの場合ＳＯＩウェハーを用いてもよい。空間２６を作製するにはたとえばＫＯＨによる異方性エッチングを行う。Ｓｉ振動板の上にはＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）１９、白金下電極１８、圧電材料（たとえばＰＺＴ）１７、白金上電極１６、各層をスパッタリング等により成膜する。また流路２７を形成するためにＳｉＯ２基板をフォトリソとドライエッチングにより流路２７や突起部２４を形成し、前記ＳＯＩウェハーに形成したセンサー部と接着する。
【００２１】
もちろん上記構成は一例であり、他の構成でもかまわない。
【００２２】
電極１６と電極１８の間に電圧を印加することにより、振動板を含めた部分が湾曲し、この湾曲部分とガラス突起部２４が密着し流路２４が閉じる。また電圧をオフすれば流路２４は再び開く。このように電圧のオンオフにより流路のオンオフが可能である。
【００２３】
この湾曲部とガラス突起部が接触する部分にはシリコン樹脂よりなるパッド２８をつけると密着性をより良好にできる。図２ではパッドは振動板側にあるが、ガラス突起部２４上につけてもよい。
【００２４】
次に、アクチュエータについて説明する。
【００２５】
図２においてガラス突起部２４がない状態、あるいはガラス突起部の高さを低くして振動板を含めたメンブレン部２９が湾曲してもガラス突起部と接触しないように各部分の寸法を決める。このようにして電極１６、１８の間に電圧をオンオフすることにより、流路２７中の流体を圧縮したり圧縮を解除することができる。
【００２６】
次に、ポンプについて説明する。図２に本実施例のバルブの断面図と平面図を示す。
【００２７】
３８はシリコン単結晶、３７はＳｉＯ２、３６はシリコン単結晶である。たとえばこの場合ＳＯＩウェハーを用いてもよい。空間４２を作製するにはたとえばＫＯＨによる異方性エッチングを行う。Ｓｉ振動板の上にはＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）３５、白金下電極３４、圧電材料（たとえばＰＺＴ）３３、白金上電極、各層をスパッタリング等により成膜する。次に白金上電極をフォトリソグラフィーとスパッタエッチングによりパターニングし櫛歯電極３１、３２を形成する。また流路４１を形成するためにＳｉＯ２基板をフォトリソとドライエッチングにより流路４１や突起部３９を形成し、前記ＳＯＩウェハーに形成したセンサー部と接着する。
【００２８】
もちろん上記構成は一例であり、他の構成でもかまわない。
【００２９】
櫛歯電極３１に交流電圧を印加することにより圧電材料３３に弾性波が発生する。櫛歯電極はメンブレン部４３の端に形成すれば弾性波は櫛歯のない方向に種に伝播する。弾性波は楕円運動をするので流体に接した部分で流体は一方向に力を受け、ポンプとして作用する。またリフレクター電極３２をもうけることにより弾性波の進行方向はより確実に一方向へ伝播させることができる。このときリフレクター３２は接地または一定電位を与える。
【００３０】
次に、ヒータについて説明する。図２において上部電極に電流を流すと電極の温度は上昇する。そして熱伝導で流路２７の流体を加熱することができる。
【００３１】
上記のポンプ、バルブ、アクチュエータ、ヒーターなどは同じ材料構成であるから、同一のプロセス、同一の基板で効率よく少ない工程、低価格で作製することもができる。
【００３２】
例えば上記に挙げた部品を用いて、ＰＣＲ機構を備えた遺伝子検出チップを作製することができる。
【００３３】
図４にその流体回路を示す。あらかじめ流路は生理食塩水で満たしておく。バルブ４５，４６を閉じポンプ５４、５５を駆動させサンプルをヒーター５６、５７、５８付近に導く。サンプルには測定したいＤＮＡとポリメラーゼおよびプライマ―を含んでいる。次にポンプ５４、５５を停止し、バルブ４４、４７を閉じ、バルブ４５、４６を開き、ポンプ５２を駆動しサンプルを循環する。このとき、ヒーター５６，５７，５８の温度を適当な値に設定すると、サンプルが一回りするごとにＤＮＡの増幅がおこり、１０回程度循環することによりＰＣＲが完了する。
【００３４】
次にポンプ５２を停止し、バルブ４５、４６、４９、５０を閉じ、他のバルブは開け、ポンプ５４、５５を駆動する。このときＰＣＲの終わったサンプルがセンサー５９付近に移動したらポンプを停止し、バルブ４８、５１を閉じ、バルブ４９．５０を開け、ポンプ５３を駆動する。このようにしてＰＣＲの終わったサンプルを何回もセンサー部分の上を循環することができる。こうして確実に所望のＤＮＡをセンサー上のｃＤＮＡとサンプルをハイブリダイゼイションさせることができる。
【００３５】
センサーに隣接、あるいはある割合で吸着層１３を設けないものを設置し、リファレンスとしてもよい。これは温度や径時変化等によるセンサーの特性のドリフトを補償するためである。
【００３６】
また各センサーの駆動を時分割し、ある時刻に駆動しているセンサーは一つだけにし、順次切り替えて駆動してもよい。これによりセンサー間の振動による干渉を防止でき、より正確な測定ができる。
【００３７】
またサンプル通過前の吸着前の状態から検出を行い、吸着による信号変化を読み取るようにしてもよい。こうすることでセンサー感度等のドリフトの影響を受けにくくなる効果がある。
【００３８】
またマーカーとなる特定のＤＮＡなどをたとえば専用の検出器を設け継続して計測し、ＰＣＲの進行状況をモニターすることもできる。
【００３９】
またバルブ９７を介しポンプ９８により洗浄液をＰＣＲ部に流し込み、処理後あるいは処理前の流路の洗浄を行えるようにするのも効果的である。また同様に検出部に洗浄のためのバルブやポンプを設けることもできる。
【００４０】
この検出部に限ってはＤＮＡの検出に限ることなく、選択的吸着物質１３を変えれば、蛋白質、ウィルス、環境物質等、選択的吸着物質１３が付加可能であれば用途は問わない。
【実施例２】
【００４１】
本実施例は、ウィルス検出チップへの応用例である。
【００４２】
ここでは実施例１で説明したバルブ、センサー、アクチュエータを用いたウィルス検出チップについての実施例について述べる。
【００４３】
図５に流体回路図を示す。
【００４４】
あらかじめ流路は生理食塩水等の溶媒で満たしておく。まずバルブ６３、６４を閉じバルブ６１、６２を開け、不図示のシリンジ等によりサンプルを流路中に送り込む。センサー部６５付近にサンプルが到達したらシリンジによるサンプル挿入を停止し、バルブ６１、６２を閉じ、バルブ６３、６４を開ける。続いてアクチュエータ６６、６７、６８、６９をダイヤグラム７０のように駆動させると流体は循環する。ダイヤグラムの横軸は時間、縦軸はアクチュエータの変位である。センサー６５には特定のウィルスを吸着できる抗体が付加されており、何回も循環させることでウィルスを確実に吸着することができる。適当な時間循環した後、循環を止め、センサー６５により測定する。
【００４５】
このときサンプル導入前の信号と比較することでウィルスの吸着量を検出してもよい。また循環前、循環中から測定を続けることで吸着量変化を継続的にモニターしてもよい。このようにするとセンサーの径時変化の影響を受けることなく測定ができる。
【００４６】
また各センサーの駆動を時分割し、ある時刻に駆動しているセンサーは一つだけにし、順次切り替えて駆動してもよい。これによりセンサー間の振動による干渉を防止でき、より正確な測定ができる。
【００４７】
センサー部６５は次のセンサーを用いてもよい。図６においてガラス突起部７７がない状態、あるいはガラス突起部の高さを振動板を含めたメンブレン部８１が湾曲してもガラス突起部と接触しないように各部分の寸法を決める。電極６９、７１の間に発振回路を接続することによりメンブレン部に振動が発生する。この振幅を徐々に増大させるとある振幅でエミッションが発生し、これに対応してスパイク的な電圧信号が発生する。そのひとつのエミッションが吸着したウィルス一つに対応しているので、正確に吸着したウィスル数を知ることができる（ＲＥＶＳ方式）。
【００４８】
また複数のセンサーを用意することで何種類かのウィルスを同時検出可能である。
【００４９】
また吸着が十分行われるまで循環するのでサンプルが少量でも短時間で高精度な検出が可能である。
【００５０】
この検出部はウィルスの検出に限ることなく、選択的吸着物質８０を変えれば、蛋白質、ＤＮＡ等、選択的吸着物質８０が付加可能であれば用途は問わない。
【実施例３】
【００５１】
本実施例は、マイクロクロマトグラフィーチップへの応用例である。
【００５２】
図７に示すようなクロマトグラフィー装置への応用も可能である。検体はポンプ８２によりカラム９６を進行する。このときカラムの抵抗により検体中の物質が分離される。検体がカラム中に十分進行したらポンプ８２を停止し、バルブ８５、８８、８９、９２を閉じる。このとき検体の進行をモニターするためのセンサー９３によりマーカーとなる物質をモニターするとより正確な検出が可能になる。
【００５３】
次にバルブ８６、８７、９０、９１を開け、続いてポンプ８３、８４を駆動させる。するとカラム中にあった検体はセンサ９４、９５部を通って循環し、所望の物質が確実に吸着される。
【００５４】
本装置により単に吸着だけ、あるいはクロマトグラフィーだけでは分離できないような類似物質を分離して検出することができる。
【実施例４】
【００５５】
溶媒抽出装置への応用例。
【００５６】
図８に示すような溶媒抽出装置への応用も可能である。
【００５７】
検体を入り口１００よりポンプ１０１により導入する。また溶媒を入り口１０１よりポンプ１０９により導入する。このときバルブ１０２、１１１、１０７、１１６は開く、バルブ１０４、１１３、１０６、１１５は閉じる。検体と溶媒は１１８の部分で合流する。このとき流路が小さいので流れは層流となり両者は混じらず１１９の地点でふたたび検体と溶媒は分離される。この間に検体中の所望の物質が溶媒側に拡散する。このようにして溶媒抽出が可能となる。しかし抽出されずに残る分が必ず検体中に残る為に検体量が少ない場合には非効率的である。このためこの溶媒抽出部にループを作り検体と溶媒を循環させれば、効率的な溶媒抽出が可能となる。
【００５８】
具体的には検体が層分離部１１９に達したらポンプ１０１、１１０を停止し、続いてバルブ１０２、１０７、１１１、１１６を閉じ、バルブ１０４、１０６、１１３、１１５を開く。続いてポンプ１０５、１１４を運転する。このようにしてくり返し溶媒抽出ができ、小さな面積で効率的なの抽出が可能となる。
【００５９】
以上の実施例によれば、分析感度を高めまた検出時間を低減させることができる。デバイス面積を小さくできる。少なくともバルブ、センサー、ポンプによりなり、ポンプとセンサーを含みバルブにより閉鎖されたループを持つことにより、センサーへの検出物質（特定のＤＮＡやウィルス、蛋白質など）の吸着確率を増大させ、結果として分析感度を高めまた検出時間を低減させ、少量のサンプルの測定が可能となる。
【００６０】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】センサーの実施例を示す図。
【図２】バルブの実施例を示す図。
【図３】ポンプ実施例を示す図。
【図４】遺伝子検出装置の実施例を示す図。
【図５】ウィルス検出器の実施例を示す図。
【図６】ヒーターの実施例を示す図。
【図７】クロマトグラフィーの実施例を示す図。
【図８】溶媒抽出装置の実施例を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１  加振用電源
２  検出回路
３  櫛歯電極
４  櫛歯電極
５  圧電材料
６  電極
７  ＹＳＺ
９  Ｓｉ振動板
１０  ＳｉＯ２
１１  Ｓｉ
１２  ＳｉＯ２
１３  受容体
１５  流路
１６  上電極
１７  圧電材料
１８  下電極
１９  ＹＳＺ
２１  Ｓｉ振動板
２２  ＳｉＯ２
２３  Ｓｉ
２４  ＳｉＯ２突起部
２５  ＳｉＯ２
２７  流路
２８  パッド
３０  加振用櫛歯電極
３１  櫛歯電極
３２  リフレクター
３３  圧電材料
３４  下電極
３５  ＹＳＺ
３６  Ｓｉ振動板
３７  ＳｉＯ２
３８  Ｓｉ
３９  ＳｉＯ２突起部
４０  ＳｉＯ２
４１  流路
７０  アクチュエータの駆動ダイアグラム、横軸は時間、縦軸はアクチュエータの変位
８１  加熱用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005300213.tif 000007
【図６】
2005300213.tif 000008
【図７】
2005300213.tif 000009
【図８】
2005300213.tif 000010